目錄

內存映射

1. 核心概念：內存映射 (Memory Map)

2. 啟動過程與地址重映射 (Remapping)

關鍵：啟動引腳 (Boot Pins)

這個過程可以類比：

3. 為什么設計成這樣？

4. 一圖流總結

圖解說明：

核心要點：

總結

5. 關于上文的“重映射控制器”

核心區別：ARM Cortex-M 內核 vs. 芯片廠商的實現

“重映射”的具體實現方式

以STM32F1系列為例（來自ST的參考手冊）

總結

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內存映射

? ? ? ? 在上一篇博客中，我們解析了arm內核架構中的icode、dcode、s-bus總線和總線矩陣。需要注意的是，不論是icode、dcode、s-bus 在訪問物理內存時都經過了內存映射（或者叫寄存器映射）

內存重映射的機制是由芯片廠商設計的一部分硬件邏輯實現的，而這部分邏輯通常與總線矩陣緊密集成，或者說是總線矩陣功能的一部分。

上篇博客：https://blog.csdn.net/leilei050213/article/details/151442621?spm=1001.2014.3001.5501

1. 核心概念：內存映射 (Memory Map)

ARM Cortex-M內核設計了一個固定的內存映射架構。這意味著CPU內核“認為”4GB的地址空間（從0x0000_0000到0xFFFF_FFFF）的特定區域永遠對應特定類型的內存或設備。

這種固定映射的好處是極大的可移植性。任何為Cortex-M編寫的軟件都知道：

• 代碼在 0x0000_0000 和 0x0800_0000。

• 數據RAM在 0x2000_0000。

• 外設在 0x4000_0000。

• 內核寄存器在 0xE000_0000。

無需為不同的芯片重新配置基本內存布局。

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2. 啟動過程與地址重映射 (Remapping)

現在我們從一個疑問來探究地址重映射的過程：為什么代碼物理上存儲在0x08000000，但CPU卻從0x00000000開始取指？

答案是通過一個叫做地址重映射的機制。這是由芯片廠商（如ST、NXP）在微控制器內部通過硬件實現的。

關鍵：啟動引腳 (Boot Pins)

很多MCU都有啟動引腳（如BOOT0, BOOT1）。這些引腳在上電復位時的電平，決定了芯片將什么物理內存映射到啟動地址0x0000_0000。

以STM32為例，常見的啟動選項有：

1. 從主Flash啟動 (通常模式)：

   1. 將引腳配置為從主Flash啟動。

   2. 此時，芯片內部的內存控制器會做一個簡單的地址偏移映射：

      • 所有對地址 0x0000_0000 的訪問，都會被重定向到 0x0800_0000。

      • 訪問 0x0000_0001 -> 變成訪問 0x0800_0001

      • 訪問 0x0000_FFFF -> 變成訪問 0x0800_FFFF

   3. iCode總線去 0x0000_0000 取指令，內存控制器悄悄地將這個請求轉給了 0x0800_0000 位置的Flash存儲器。CPU內核完全不知道這個重映射過程，它以為指令就在 0x0000_0000。

2. 從系統存儲器啟動 (ISP模式)：

   1. 芯片內部有一塊特殊的BootROM，里面預燒了廠家的串口/USB下載程序。它的物理地址可能是在 0x1FFF_0000。

   2. 當配置為從系統存儲器啟動時，對 0x0000_0000 的訪問會被重定向到這片BootROM。

3. 從內置SRAM啟動：

   1. 用于調試。將SRAM（物理地址 0x2000_0000）映射到 0x0000_0000。

這個過程可以類比：

• 你的家（Flash） 實際地址是：幸福路808號（0x0800_0000）。

• 但市政規定，所有寄到 市中心1號（0x0000_0000） 的包裹，都會自動被郵局轉到 幸福路808號。

• CPU（郵差） 只知道把包裹送到“市中心1號”，它不知道轉交過程，但這個包裹最終總能正確送達你的家。

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3. 為什么設計成這樣？

這種設計非常巧妙，主要有兩個優點：

1. 統一的入口點：

   1. 無論芯片內部Flash的物理地址在哪里，無論你有多少種啟動方式，ARM內核CPU硬件永遠、且只需要從同一個地址 0x0000_0000 開始取指令。

   2. 這簡化了CPU內核的設計，使其不需要關心外部世界的復雜變化。

2. 極大的靈活性：

   1. 芯片廠商可以通過啟動引腳和重映射邏輯，提供多種啟動模式，而無需修改CPU核心。

   2. 開發者可以靈活選擇從程序Flash啟動、從BootLoader啟動、或者從RAM啟動進行調試，硬件幫你搞定地址轉換問題。

4. 一圖流總結

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圖解說明：

1. 起點 (CPU請求)：

   1. CPU 內核的 iCode 總線嚴格按照 ARM 架構設計，永遠從邏輯地址 0x0000 0000 開始取指。這是它的固定行為。

2. 路由 (總線矩陣)：

   1. 這個取指請求首先到達總線矩陣，這是芯片內部的“交通樞紐”。

3. 決策 (啟動配置)：

   1. 總線矩陣會根據啟動引腳（BOOT0, BOOT1） 的電平狀態，決定將這個請求路由到哪里。最常見的情況（用戶Flash啟動）就是路由到重映射控制器。

4. 轉換 (地址重映射)：

   1. 所謂的“重映射控制器”是這個過程的核心。它接收到一個針對 0x0000 0000 的訪問請求，然后根據廠家預設的規則，悄悄地將這個請求轉換為對物理地址 0x0800 0000 的訪問。

5. 目的地 (物理Flash)：

   1. 轉換后的請求最終抵達實際的物理硬件：主Flash存儲器。指令數據從這里被取出。

6. 返回數據：

   1. 數據沿著原路返回：Flash -> 重映射控制器 -> 總線矩陣 -> CPU。

   2. CPU 始終認為自己是從 0x0000 0000 讀到了數據，它對背后發生的重映射過程一無所知。

核心要點：

• 邏輯地址 vs. 物理地址： 0x0000 0000 是CPU視角的邏輯地址（它認為的世界）。0x0800 0000 是Flash芯片的物理地址（真實的世界）。

• 重映射是橋梁： 芯片內部的“重映射”負責將CPU的“邏輯世界”和存儲器的“物理世界”連接起來。

• 對程序員透明： 整個重映射過程由硬件完成，軟件工程師無需干預。你只需要知道你的程序被燒錄到了 0x0800 0000，并且CPU會正確地從那里開始執行。

總結

• CPU從 0x0000_0000 開始執行：這是ARM Cortex-M架構規定的、不可改變的硬件行為。

• Flash物理地址在 0x0800_0000：這是芯片廠商根據ARM的內存映射建議分配的物理地址。

• 連接二者的橋梁：是芯片內部的重映射機制。它根據啟動引腳的配置，將CPU對“啟動地址”的訪問透明地重定向到不同的物理存儲器上（Flash、SRAM或BootROM）。

• iCode總線：它負責執行取指操作，它發出的是“邏輯地址”（0x0000_0000），但經過重映射后，這個請求被傳遞到了“物理地址”（0x0800_0000）上的Flash存儲器。

所以，0x0000 0000 和 0x0800 0000 這兩個地址都是存在的，它們描述的是不同層面的概念：一個是CPU視角的邏輯地址，一個是存儲器的物理地址。重映射技術則將這兩個視角巧妙地統一了起來。

5. 關于上文的“重映射控制器”

在 ARM Cortex-M3 Technical Reference Manual (cortex-m3技術參考手冊) 中，我們不會找到一個名為 “Remapping Controller” (重映射控制器) 的獨立模塊。

“重映射控制器”是一個為了易于理解而使用的一個功能性的統稱，它實際上指向了芯片廠商實現的一系列機制。

核心區別：ARM Cortex-M 內核 vs. 芯片廠商的實現

首先要理解一個關鍵區別：

1. ARM Cortex-M 內核： 它定義了CPU核心本身的行為（如寄存器、指令集、NVIC）和它期望看到的固定內存映射（即CPU發出的地址0x0000_0000應該對應什么）。

2. 芯片廠商 (如ST, NXP, TI)： 他們購買ARM的IP授權，然后圍繞Cortex-M內核設計自己的芯片（MCU）。他們負責實現內存控制器、Flash、SRAM、外設，并決定如何將物理存儲器映射到CPU所期望的地址空間。

我們找不到“重映射控制器”的原因在于：這個“重映射”功能是芯片廠商在它們自己的芯片設計中加入的，不屬于ARM Cortex-M核心的標準部分。因此，它不會出現在內核的技術參考手冊中，而是描述在芯片廠商的數據手冊 (Datasheet) 和參考手冊 (Reference Manual) 里。

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“重映射”的具體實現方式

芯片廠商通常通過以下兩種主要方式來實現地址 0x0000_0000 的“重映射”：

1. 地址別名 (Address Aliasing) - 最常見的方式

這是最簡單、最低成本的方式。它不是一個復雜的“控制器”，而更像是一個固定的地址連線偏移。

• 工作原理： 在芯片的內部總線結構中，將CPU對地址塊 0x0000_0000 - 0x0007_FFFF (例如) 的訪問請求，其地址線最高位直接忽略或重新編碼，從而定向到物理地址塊 0x0800_0000 - 0x0807_FFFF。

• 類比： 這就像是一棟大樓。CPU總是說“我要去101房間”，而大樓的管理系統（芯片設計）硬性規定“所有101房間的請求都自動引導到201房間”。沒有復雜的計算，只是一個簡單的、固定的規則。

• 特點： 這種方式是靜態的、固定的。一旦芯片制造好，0x0000_0000 就永遠別名到 0x0800_0000。啟動模式的選擇可能是通過改變別名到的目標地址來實現的（見下一條）。

1. 內存地址重映射開關 (Memory Remap Switch)

一些更復雜的芯片（或Cortex-A系列）會有一個真正的可編程重映射控制器，通常稱為 “Remap” 或 “Memory Controller” 功能。

• 工作原理： 芯片內部存在一個可配置的開關電路。CPU可以通過配置一個特定的控制寄存器來改變這個開關的狀態。

• 這個寄存器： 允許軟件動態地改變地址 0x0000_0000 映射到哪一塊物理存儲器（Flash, SRAM, BootROM）。

• 在哪里描述： 這個寄存器是芯片廠商自定義的，它的地址、位定義都會寫在芯片的參考手冊中，通常是在系統配置（System Configuration）或內存控制器（Memory Controller）的章節里。例如，在STM32的參考手冊中，你會找到類似“Boot configuration”的寄存器。

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以STM32F1系列為例（來自ST的參考手冊）

在STM32中，實現“重映射”的機制是上述兩種方式的結合：

1. 固定別名區域： CPU地址 0x0000_0000 - 0x1FFF_FFFF 這塊512MB的區域被設計為可重映射的區域。它本身不固定對應任何物理內存。

2. Boot引腳配置開關： 芯片上電復位時，會采樣BOOT0和BOOT1引腳的電平。

3. 硬件自動配置： 根據引腳電平，芯片內部的硬件邏輯會自動設置一個隱藏的開關，將這個“可重映射區域”連接到三塊物理存儲器中的一塊：

   1. BOOT1=0, BOOT0=0 -> 映射到 Main Flash (物理地址 0x0800_0000)

   2. BOOT1=0, BOOT0=1 -> 映射到 System Memory (BootROM, 物理地址 0x1FFF_0000 等)

   3. BOOT1=1, BOOT0=1 -> 映射到 Embedded SRAM (物理地址 0x2000_0000)

這個過程在復位后由硬件瞬間完成，無需軟件初始化。之后，這個映射關系就固定了，直到下一次復位。

總結

1. 關于“內存重映射”該查閱哪里：

   1. 要理解CPU視角的內存布局，看 《Cortex-M3 Technical Reference Manual》。

   2. 要理解物理芯片的內存布局和重映射實現細節，看 芯片的數據手冊 (Datasheet) 和 參考手冊 (Reference Manual)。查找 “Boot configuration”、 “Memory organization” 或 “Controller registers” 等章節。

2. 對程序員的意義：

   1. 對于絕大多數應用程序開發者來說，這個重映射過程是完全透明的。你只需要知道程序計數器從 0x0000_0000 開始，而你的代碼鏈接在 0x0800_0000，硬件會幫你處理好一切。

   2. 只有當你在編寫Bootloader或進行非常底層的系統調試時，才需要深入了解BOOT引腳的配置和芯片具體的重映射機制。